生物化学：02 多肽与蛋白质上

1、目目 录录 第二节第三节第四节第五节第一节第六节 多肽与蛋白质多肽与蛋白质 第二节第二节 Peptides and Proteins 目目 录录 第二节第三节第四节第五节第一节第六节 20年前，无数生物年前，无数生物Ph.D的博士生涯的博士生涯 一个基因，一个蛋白（提纯），一个修饰一个基因，一个蛋白（提纯），一个修饰 现在，现在， 一条通路，一堆结构（结晶），一条通路，一堆结构（结晶），XXX组组 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 1833年年，Payen和和Persoz分离出淀粉酶。分离出淀粉酶。 1864年年，Hoppe-Seyler从血液分离出血红蛋白，从血液分离出血红蛋白

2、， 并将其制成结晶并将其制成结晶。 19世纪末世纪末，Fischer证明蛋白质是由氨基酸组成的，证明蛋白质是由氨基酸组成的， 并将氨基酸合成了多种短肽并将氨基酸合成了多种短肽 。 1938年年，德国化学家，德国化学家Gerardus J. Mulder引用引用 “Protein” 一词来描述蛋白质。一词来描述蛋白质。 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 1951年年, Pauling采用采用X（射）线晶体衍射发现了蛋（射）线晶体衍射发现了蛋 白质的二级结构白质的二级结构-螺旋螺旋(-helix)。 1953年，年，Frederick Sanger完成胰岛素完成胰岛素一级序列测定一级

3、序列测定。 1962年年，John Kendrew和和Max Perutz确定了血红蛋确定了血红蛋 白的四级结构。白的四级结构。 20世纪世纪90年代以后年代以后，后基因组计划。，后基因组计划。 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 w什么是蛋白质什么是蛋白质? 蛋白质（蛋白质（protein）是由许多氨基酸是由许多氨基酸 （amino acids）通过肽键（）通过肽键（peptide bond） 相连形成的高分子含氮化合物。相连形成的高分子含氮化合物。 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 分布广：分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的所有器官、组织都含有蛋白质；细胞

4、的 各个部分都含有蛋白质。各个部分都含有蛋白质。 含量高：含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占 人体干重的人体干重的45，某些组织含量更高，某些组织含量更高， 例如脾、肺及横纹肌等高达例如脾、肺及横纹肌等高达80。 w蛋白质的生物学重要性蛋白质的生物学重要性 1. 蛋白质是生物蛋白质是生物 体重要组成成分体重要组成成分 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 1 1）作为生物催化剂（酶）作为生物催化剂（酶） 2 2）代谢调节作用）代谢调节作用 ( (激素）激素） 3 3）免疫保护作用）免疫保护作用 （抗体）（抗体） 4 4）物质的转运和存储）物质

5、的转运和存储 （motormotor，cargocargo） 5 5）运动与支持作用）运动与支持作用 （肌动蛋白）（肌动蛋白） 6 6）参与细胞间信息传递）参与细胞间信息传递 （ligandligand receptor receptor，跨膜），跨膜） 2. 蛋白质具有重要的生物学功能蛋白质具有重要的生物学功能 3. 氧化供能氧化供能 目目 录录 第二节第三节第四节第五节第一节第六节 肽和蛋白质的一级结构肽和蛋白质的一级结构 Primary Structure of Peptides and Proteins 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 （一）氨基酸通过肽键相连形成肽（一

6、）氨基酸通过肽键相连形成肽/蛋白质蛋白质 L- -氨基酸（除甘氨酸外）。 、肽和蛋白质是由氨基酸组成的多聚、肽和蛋白质是由氨基酸组成的多聚 体体 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 H 甘氨酸甘氨酸 CH3 丙氨酸丙氨酸 L-L-氨基酸的通式氨基酸的通式 R C +NH3 COO- H 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 肽键是由一个氨基酸的肽键是由一个氨基酸的 -羧基与另一个氨羧基与另一个氨 基酸的基酸的 -氨基脱水缩合而形成的化学键。氨基脱水缩合而形成的化学键。 氨基酸通过氨基酸通过肽键肽键(peptide bond) 相互连接相互连接 而形成多肽和蛋白质。而形成多

7、肽和蛋白质。 肽肽/蛋白质分子中的氨基酸通过脱水生成的共价键蛋白质分子中的氨基酸通过脱水生成的共价键 被称为被称为肽键肽键(peptide bond)，肽键是一种酰胺键，具，肽键是一种酰胺键，具 有部分双键的性质。有部分双键的性质。 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 * * 一分子氨基酸与另一分子氨基酸脱去一分子水缩一分子氨基酸与另一分子氨基酸脱去一分子水缩 合成二肽。合成二肽。 * * 二肽通过肽键与另一分子氨基酸缩合生成三肽二肽通过肽键与另一分子氨基酸缩合生成三肽 * 一般来说，由数个、十数个氨基酸组成的肽习惯称一般来说，由数个、十数个氨基酸组成的肽习惯称 为为寡肽寡肽(ol

8、igopeptide)，而很多氨基酸组成的肽称为，而很多氨基酸组成的肽称为多多 肽（肽（polypeptide）。）。通常，多肽分子质量通常，多肽分子质量10 kD； 而而蛋白质蛋白质则是由一条或多条肽链组成的更大分子，则是由一条或多条肽链组成的更大分子， 但两者两者经常通用。但两者两者经常通用。 肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而基团不全，肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而基团不全， 被称为被称为氨基酸残基氨基酸残基(residue)。 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 氨基末端（氨基末端（amino terminal）或）或 N 末端末端： 多肽链中有多肽链中有游离氨基的一端称游离氨

9、基的一端称氨基末氨基末 端端(amino terminal)或或N-端。端。 羧基末端（羧基末端（carboxyl terminal）或）或C 末端：末端： 多肽链中多肽链中有游离羧基的一端称为有游离羧基的一端称为羧基羧基 末端末端(carboxyl terminal)或或C-端。端。 多肽链具有方向性：多肽链具有方向性： 多肽链从氨基末端走向羧基末端。多肽链从氨基末端走向羧基末端。 不要读成不要读成 氮端碳端氮端碳端 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 N末端末端 C末端末端 牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶 半胱氨酸的二硫键半胱氨酸的二硫键 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六

10、节 NH2-CH-C H O OH 甘甘氨氨酸酸 NH2-CH-C H O OH 甘甘氨氨酸酸 NH-CH-C H OH O O H 甘甘氨氨酸酸 + -HOH 甘氨酰甘氨酸甘氨酰甘氨酸 肽键 NH2-CH-C-N-CH-C O OHHHH O NH2-CH-C-N-CH-C O OHHHH O 肽是根据由肽是根据由N-端至端至C-端参与其组成的氨基酸残基命名的端参与其组成的氨基酸残基命名的 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 （二）（二）体内存在多种重要的生物活性肽体内存在多种重要的生物活性肽 1.谷胱甘肽是体内重要的还原剂谷胱甘肽是体内重要的还原剂 谷胱甘肽谷胱甘肽 (glut

11、athione, GSH) 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 GSH过氧过氧 化物酶化物酶 H2O2 2GSH 2H2O GSSG GSH还原酶还原酶 NADPH+H+ NADP+ 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 2.体内有许多激素属寡肽或多肽体内有许多激素属寡肽或多肽 下丘脑到垂下丘脑到垂 体体 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 3. 神经肽是脑内一类重要的肽神经肽是脑内一类重要的肽 在神经传导过程中起重要作用的肽类称为在神经传导过程中起重要作用的肽类称为 神经肽神经肽(neuropeptide)。 较早发现的有脑啡肽较早发现的有脑啡肽(5肽肽)、

12、-内啡肽内啡肽(31肽肽)和和 强啡肽强啡肽(17肽肽)等。等。 近年发现的孤啡肽近年发现的孤啡肽(17肽肽)，其一级结构类似于，其一级结构类似于 强啡肽。强啡肽。 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 组成蛋白质的元素：组成蛋白质的元素： 主要有主要有C、H、O、N和和S。 有些蛋白质含有少量有些蛋白质含有少量磷磷或金属元素或金属元素铁、铜、铁、铜、 锌、锰、钴、钼锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有，个别蛋白质还含有碘碘 。 二、蛋白质的分子组成和结构极其复杂二、蛋白质的分子组成和结构极其复杂 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 各种蛋白质的含氮量很接近，平均为各种蛋白质

13、的含氮量很接近，平均为16。 由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此， 只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以 下公式推算出蛋白质的大致含量：下公式推算出蛋白质的大致含量： 100克样品中蛋白质的含量克样品中蛋白质的含量 ( g % ) = 每克样品含氮克数每克样品含氮克数 6.25100 1/16% 蛋白质元素组成的特点：蛋白质元素组成的特点： 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 ( (一一) )蛋白质的分子组成与结构特征是其分蛋白质的分子组成与结构特征是其分 类的基础类的基础 1. 蛋白质根据分子组成

14、分为单纯蛋白质和结合蛋蛋白质根据分子组成分为单纯蛋白质和结合蛋 白质两类白质两类： 单纯蛋白质（单纯蛋白质（simple protein） 结合蛋白质结合蛋白质 = = 蛋白质部分蛋白质部分 + + 非蛋白质部分非蛋白质部分 （conjugated protein） 辅基辅基 （prosthetic group） 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 分类分类辅基辅基举例举例 脂蛋白脂蛋白脂类脂类血浆脂蛋白（血浆脂蛋白（VLDL、LDL、 HDL等）等） 糖蛋白糖蛋白糖基或糖链糖基或糖链胶原蛋白、纤连蛋白等胶原蛋白、纤连蛋白等 核蛋白核蛋白核酸核酸核糖体核糖体 磷蛋白磷蛋白磷酸基团磷

15、酸基团酪蛋白（酪蛋白（casein） 血红素蛋白血红素蛋白血红素（铁卟啉）血红素（铁卟啉）血红蛋白、细胞色素血红蛋白、细胞色素c 黄素蛋白黄素蛋白黄素核苷酸（黄素核苷酸（FAD、 FMN） 琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶 金属蛋白金属蛋白铁铁铁蛋白铁蛋白 锌锌乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶 钙钙钙调蛋白钙调蛋白 锰锰丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶 铜铜细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶 结合蛋白质及其辅基结合蛋白质及其辅基 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 3. 蛋白质根据其形状分为纤维状蛋白质和球状蛋白质根据其形状分为纤维状蛋白质和球状 蛋白质两类蛋白质两类 ，可分为：，可分为： 纤维状蛋白质纤维状蛋白质

16、 球状蛋白质球状蛋白质 2. 蛋白质根据结构特点进行分类蛋白质根据结构特点进行分类 ，可分为：，可分为： 超家族（超家族（super family） 家族（家族（family） 亚家族（亚家族（subfamily） 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 ( (二二) )蛋白质分子结构可区分为蛋白质分子结构可区分为4 4个层次个层次 高级结构高级结构 或或 空间构象空间构象 (conformation) 一级结构一级结构(primary structure) 二级结构二级结构(secondary structure) 三级结构三级结构(tertiary structure) 四级结构四

17、级结构(quaternary structure) 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 三、三、氨基酸残基的排列顺序决定蛋白氨基酸残基的排列顺序决定蛋白 质的一级结构质的一级结构 肽键（主要化学键）肽键（主要化学键） 二硫键二硫键 蛋白质一级结构蛋白质一级结构(primary structure)是指蛋白是指蛋白 质分子中，从质分子中，从N端到端到C端的氨基酸排列顺序。端的氨基酸排列顺序。 形成一级结构的化学键：形成一级结构的化学键： 一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能功能 的基础，的基础，但不是决定蛋白质空间构象的但不是决定蛋白质空间构象

18、的唯一因素。唯一因素。 目目 录录 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 牛胰岛素的空间结构牛胰岛素的空间结构 二硫键二硫键 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 四、多肽链中的局部特殊构象是蛋白四、多肽链中的局部特殊构象是蛋白 质的二级结构质的二级结构 蛋白质二级结构蛋白质二级结构(secondary structure)是指蛋是指蛋 白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该 段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉 及氨基酸残基侧链的构象及氨基酸残基侧链的构象 。 二维平面，二硫键 目目 录

19、录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 五、五、蛋白质一级结构比对可用于同源蛋白质一级结构比对可用于同源 蛋白质分析蛋白质分析 蛋白质一级结构（氨基酸序列）比对常被用来预蛋白质一级结构（氨基酸序列）比对常被用来预 测蛋白质之间结构与功能的相似性。测蛋白质之间结构与功能的相似性。 序列比对方法（序列比对方法（sequence-comparison method） 关键在于将关键在于将2个序列准确地对齐，使之达到相同序列个序列准确地对齐，使之达到相同序列 最大化，插入或删除序列最小化的目的，然后计算最大化，插入或删除序列最小化的目的，然后计算 相同的氨基酸数。相同的氨基酸数。 同源蛋白质同源蛋白质

20、仅指同一基因进化而来的蛋白质。仅指同一基因进化而来的蛋白质。 序列相似但非进化相关的序列相似但非进化相关的2个蛋白质的序列，常个蛋白质的序列，常 被称为被称为相似（相似（analogy）序列）序列 。 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 Blast （NCBI， USCS， ENSEMBL） Blastn Blastp Blasta 不同物种，同源基因不同物种，同源基因 生物信息学生物信息学 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能功能 的基础，的基础，但不是决定蛋白质空间构象的但不是决定蛋白质空间

21、构象的唯一因素。唯一因素。 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 肽、蛋白质的高级结构肽、蛋白质的高级结构 Three Dimentional Structure of Peptides and Proteins 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 蛋白质的蛋白质的二级结构二级结构(secondary structure)是指组是指组 成蛋白质的肽链的主链的空间结构，也就是肽链主成蛋白质的肽链的主链的空间结构，也就是肽链主 链骨架原子的相对空间位置，不涉及氨基酸残基侧链骨架原子的相对空间位置，不涉及氨基酸残基侧 链的构象。链的构象。 一、多肽链中的局部特殊构象是蛋白质一、

22、多肽链中的局部特殊构象是蛋白质 的二级结构的二级结构 肽链主链骨架原子肽链主链骨架原子包括包括N（氨基氮）、（氨基氮）、C（- 碳原子）和碳原子）和CO（羰基碳）（羰基碳）3个原子依次重复排列。个原子依次重复排列。 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 -螺旋螺旋 ( -helix ) -折叠折叠 ( -pleated sheet ) -环环 -转角转角 ( -turn ) 无规卷曲无规卷曲 ( random coil ) 蛋白质二级结构的主要形式：蛋白质二级结构的主要形式： 维系二级结构的主要化学键：维系二级结构的主要化学键：氢键氢键 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节

23、 （一）（一）肽键是一个刚性的平面肽键是一个刚性的平面 参与肽键的参与肽键的6个原子个原子C 1、 C、O、N、H、C 2位于同一位于同一 平面，平面，C 1和和C 2在平面上所处在平面上所处 的位置为反式的位置为反式(trans)构型，此构型，此 同一平面上的同一平面上的6个原子构成了个原子构成了 所谓的所谓的肽单元肽单元 (peptide unit) 。 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 （二）（二） - -螺旋螺旋是常见的蛋白质二级结构是常见的蛋白质二级结构 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 -螺旋螺旋结构要点结构要点 连续排列的肽单元平面旋转形成面螺旋 右手

24、螺旋 酰胺平面与螺旋的长轴平行 一个AA0.15nm,每3.6个为一圈(0.54nm) 螺旋借助相邻两圈之-NH-CO-稳定 AA的侧链伸向螺旋外侧 AA的大小和电荷可以影响螺旋的形成 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 -螺旋常位于蛋白质分子表面，亲水性较好 存在两性螺旋 存在于血浆脂蛋白、多肽激素、蛋白激酶、肌红蛋白 、血红蛋白等球状蛋白中 毛发中的角蛋白、肌肉的肌球蛋白、纤维蛋白几乎都 是 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 （三）（三） - -折叠折叠使多肽链形成片层结构使多肽链形成片层结构 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 -折叠折叠 较为伸展较

25、为伸展,酰胺平面以锯齿状排列酰胺平面以锯齿状排列 两个片段可以是平行或反平行两个片段可以是平行或反平行 AA间距间距 平行平行 0.65nm 反平行反平行 0.70nm 只有片段间氢键只有片段间氢键,无片段内氢键无片段内氢键 AA的侧链伸向锯齿状结构的外侧的侧链伸向锯齿状结构的外侧 小侧链的小侧链的AA有利于有利于-折叠的生成折叠的生成 蚕丝蛋白都是蚕丝蛋白都是-折叠折叠 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 （四）（四） -转角和无规卷曲转角和无规卷曲在蛋白质分子中在蛋白质分子中 普遍存在普遍存在 - -转角转角 无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那无规卷曲是用来阐述没有确定规律性

26、的那 部分肽链结构。部分肽链结构。 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 （五）模体（五）模体是蛋白质的超二级结构是蛋白质的超二级结构 在许多蛋白质分子中，在许多蛋白质分子中，由几个具有二级结由几个具有二级结 构的肽段，在空间上相互接近、相互作用，所构的肽段，在空间上相互接近、相互作用，所 形成的折叠模样，称为形成的折叠模样，称为超二级结构超二级结构 （supersecondary structure），），又称又称折叠（折叠（fold） 或或模体（模体（motif）。）。 超二级结构形式有超二级结构形式有3 3种：种：， 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 细胞色素细胞

27、色素C的的结构结构细胞核抗原的细胞核抗原的结构结构 纤溶酶原的纤溶酶原的结构结构 超二级结构形式有超二级结构形式有3 3种：种：， 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 钙结合蛋白中结钙结合蛋白中结 合钙离子的模体合钙离子的模体 锌指结构锌指结构 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 锌指结构锌指结构zinc finger DNA结合蛋白结合蛋白 折叠折叠- - 折叠折叠-螺旋模体螺旋模体 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 Z-finguer nuclease 基因组编辑基因组编辑 同源重组同源重组 目目 录录第

28、二节第三节第四节第五节第一节第六节 Gene targeting techniques 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 （六）（六）氨基酸残基的侧链可影响二级结构的形成氨基酸残基的侧链可影响二级结构的形成 蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。 一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成 - -螺旋螺旋 或或-折叠，它就会出现相应的二级结构。折叠，它就会出现相应的二级结构。 这是氨基酸残基的侧链的相互作用可稳定这是氨基酸残基的侧链的相互作用可稳定 或去稳定相应的二级结构的原因。或去稳定相应的二级结构的原因。 目目 录录

29、第二节第三节第四节第五节第一节第六节 一段肽链有多个一段肽链有多个谷氨酸或天冬氨酸残基谷氨酸或天冬氨酸残基相邻，则在相邻，则在 pH7.0时，这些残基的游离羧基都带负电荷，彼此相斥，时，这些残基的游离羧基都带负电荷，彼此相斥， 妨碍妨碍-螺旋的形成。同样，多个碱性氨基酸残基在一肽段螺旋的形成。同样，多个碱性氨基酸残基在一肽段 内，由于正电荷相斥，也妨碍内，由于正电荷相斥，也妨碍-螺旋的形成。螺旋的形成。 天冬酰胺、亮氨酸的侧链很大，也会影响天冬酰胺、亮氨酸的侧链很大，也会影响-螺旋螺旋 形成。形成。 脯氨酸的结构不利于形成脯氨酸的结构不利于形成- -螺旋。螺旋。 形成形成-折叠的肽段要求氨基酸

30、残基的侧链较小，才折叠的肽段要求氨基酸残基的侧链较小，才 能容许两条肽段彼此靠近。能容许两条肽段彼此靠近。 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 电性：同性相斥电性：同性相斥 R性质：立体障碍性质：立体障碍 Pro：亚氨基无氢，环改变走向：亚氨基无氢，环改变走向 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 二、二、多肽链在二级结构基础上进一步折叠多肽链在二级结构基础上进一步折叠 形成蛋白质三级结构形成蛋白质三级结构 蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构(tertiary structure)是指整条是指整条 肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。

31、即肽 链中所有原子在三维空间的排布位置，链中所有原子在三维空间的排布位置，包括一包括一 级结构中相距甚远的肽段的空间位置关系。级结构中相距甚远的肽段的空间位置关系。 （一）三级结构是指整条多肽链的空间分布（一）三级结构是指整条多肽链的空间分布 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 肌红蛋白肌红蛋白 (Mb) N 端端 C 端端 肌红蛋白（肌红蛋白（myoglobin）是一个单个肽链的球状蛋白质，由是一个单个肽链的球状蛋白质，由 153个氨基酸残基构成，含有个氨基酸残基构成，含有1个个血红素（血红素（heme）辅基。）辅基。 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 肌红蛋白肌红

32、蛋白 (Mb) myoglobin 153 AA 1 Heme AH八段八段-螺旋螺旋 无无-S-S-键键 功能：储存功能：储存O2 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 ( (二二) ) 维持三级结构稳定主要依靠非共价键维持三级结构稳定主要依靠非共价键 蛋白质三级结构的形成和稳定主要靠弱的相互蛋白质三级结构的形成和稳定主要靠弱的相互 作用力或称非共价键、次级键，主要有氢键、作用力或称非共价键、次级键，主要有氢键、 范德华力（范德华力（Van der Waals force）、）、疏水作用疏水作用 （hydrophobic interactin）和）和盐键（盐键（salting bo

33、nd）（又称离子键）等。）（又称离子键）等。 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 纤连蛋白分子的结构域纤连蛋白分子的结构域 （三）（三）三级结构可含有功能各异的三级结构可含有功能各异的结构域结构域 在二级结构或超二级结构的基础上，多肽链在二级结构或超二级结构的基础上，多肽链 可形成在三级结构层次上的局部折叠区，称为可形成在三级结构层次上的局部折叠区，称为结结 构域构域(domain)。 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 （四）根据结构域可对蛋白质进行分类：（四）根据结构域可对蛋白质进行分类： 根据结构域可将球状蛋白质分为

34、根据结构域可将球状蛋白质分为4类：类： 反平行反平行螺旋结构域（全螺旋结构域（全-结构）结构） 平行或混合型平行或混合型折叠片结构域（折叠片结构域（，-结构）结构） 反平行反平行折叠片结构域折叠片结构域(全全-结构结构) 富含金属或二硫键结构域（不规则小蛋白质结构）富含金属或二硫键结构域（不规则小蛋白质结构） 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 A. A. 全全- -结构域结构域 B. B. 平行或混合型平行或混合型 折叠片结构域折叠片结构域 C. C. 全全-结构域结构域 D. D. 富含二硫键结构域富含二硫键结构域 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 结构域结构域

35、( (domain) ) 3-磷酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油醛脱氢酶 NAD+3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 （五）分子伴侣（五）分子伴侣参与蛋白质的折叠参与蛋白质的折叠 分子伴侣分子伴侣(chaperon)通过提供一个保护环境从通过提供一个保护环境从 而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。 * * 分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随 后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生， 使肽链正确折叠。使肽链正确折叠。 * * 分

36、子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后， 再诱导其正确折叠。再诱导其正确折叠。 * * 分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确 形成起了重要的作用。形成起了重要的作用。 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 目前已知参与蛋白质折叠的分子伴侣可分为目前已知参与蛋白质折叠的分子伴侣可分为3类：类： 热激蛋白热激蛋白70(Hsp70)：Hsp70在真核和原核生物中高度保守，在真核和原核生物中高度保守， 它可部分逆转变性或聚集的蛋白质它可部分逆转变性或聚集的蛋白质 。 伴侣蛋白伴侣蛋白(chape

37、ronin)：伴侣蛋白普遍存在于细菌、线粒体、伴侣蛋白普遍存在于细菌、线粒体、 叶绿体和真核生物，主要有叶绿体和真核生物，主要有2个家族：个家族：Hsp60（在大肠杆菌（在大肠杆菌 中又称为中又称为GroEL）和）和Hsp10。 核质蛋白核质蛋白(nucleoplasmin) 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 Wnt Fz -catenin Tcf/Lef LRP5/6 Transcription Dkk1 Wnt8a Conditional Tools for Manipulating Canonical Wnt Signaling Wnt inhibition: HS:Dkk

38、1 Wnt activation: HS:Wnt8a HS (HeatShock HSP70) promoter can be induced by moderate hyperthermia (39-43) 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 伴侣蛋白在蛋白质折叠中的作用伴侣蛋白在蛋白质折叠中的作用 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 各亚基间的结合力主要是氢键和离子键各亚基间的结合力主要是氢键和离子键。 三、三、多亚基的蛋白质具有四级结构形式多亚基的蛋白质具有四级结构形式 蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基 接触部位的布局和相互作用

39、，称为接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的蛋白质的 四级结构四级结构。 体内有许多蛋白质分子含有二条或多条多体内有许多蛋白质分子含有二条或多条多 肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称 为蛋白质的为蛋白质的亚基亚基 (subunit)(subunit)。 （一）具有四级结构形式的蛋白质由多亚基组成（一）具有四级结构形式的蛋白质由多亚基组成 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 血红蛋白血红蛋白的四级结构的四级结构 （二）（二）亚基通过亚基间的相互作用联系在一起亚基通过亚基间的相互作用联系在一起 由由2个亚基组成个亚基组成 的蛋白质四级结构中

40、，的蛋白质四级结构中， 若亚基分子结构相同，若亚基分子结构相同， 称 之 为称 之 为 同 二 聚 体同 二 聚 体 (homodimer)，若亚基若亚基 分子结构不同，则称分子结构不同，则称 之 为之 为 异 二 聚 体异 二 聚 体 (heterodimer)。 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 （三）生物体内有很多由多亚基组成的蛋白质（三）生物体内有很多由多亚基组成的蛋白质 生物体内许多蛋白质往生物体内许多蛋白质往 往由多个亚基组成，亚基之往由多个亚基组成，亚基之 间凭借次级键形成蛋白质四间凭借次级键形成蛋白质四 级结构。级结构。 胰岛素受体：胰岛素受体：由由4个亚基个亚基

41、 组成组成(22) ，亚基与亚基与亚基形亚基形 成单体成单体(monomer)，2个单体个单体 形成二聚体形成二聚体(dimer)。 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 血红蛋白的一、二、三、四级结构血红蛋白的一、二、三、四级结构 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 Ion channel and GPCRs 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 一级结构：相邻一级结构：相邻AA间的共价结合间的共价结合 二级结构：短距离二级结构：短距离AA之间的非共价连接之间的非共

42、价连接 三级结构：远距离三级结构：远距离AA之间的非共价连接之间的非共价连接 四级结构：多亚基之间的非共价连接四级结构：多亚基之间的非共价连接 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 含有二条以上多肽链的蛋白质一定具有四级结构。含有二条以上多肽链的蛋白质一定具有四级结构。 只有一条多肽链的蛋白质肯定没有四级结构。只有一条多肽链的蛋白质肯定没有四级结构。 多分子聚合物多分子聚合物不属于四级结构不属于四级结构 目目 录录 第二节第三节第四节第五节第一节第六节 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系 Structure and Function of Proteins 第三节第三节 目

43、目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 （一）一级结构是空间构象的基础（一）一级结构是空间构象的基础 一、蛋白质一级结构是高级结构与功能一、蛋白质一级结构是高级结构与功能 的基础的基础 牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶 的一级结构的一级结构 二二 硫硫 键键 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 天然状态，天然状态， 有催化活性有催化活性 尿素、尿素、 -巯基乙醇巯基乙醇 去除尿素、去除尿素、 -巯基乙醇巯基乙醇 非折叠状态，无活性非折叠状态，无活性 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 （二）一级结构相似的蛋白质具有相似的（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的 高级结构与功能

44、高级结构与功能 氨基酸残基序号氨基酸残基序号 胰岛素胰岛素 A8 A9 A10 B30A8 A9 A10 B30 人人 ThrThr Ser Ile Ser Ile ThrThr 牛牛 Ala Ser Val AlaAla Ser Val Ala 猪猪 ThrThr Ser Ile Ala Ser Ile Ala 羊羊 Ala Ala GlyGly Val Ala Val Ala 马马 ThrThr GlyGly Ile Ala Ile Ala 狗狗 ThrThr Ser Ile Ala Ser Ile Ala 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 促肾上腺皮质激素促肾上腺皮质激素(

45、ACTH)和促黑激素和促黑激素(-MSH, -MSH)共有一段相同的氨基酸序列，因此，共有一段相同的氨基酸序列，因此，ACTH也也 可促进皮下黑色素生成，但作用较弱。可促进皮下黑色素生成，但作用较弱。 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 ( (三三) )氨基酸序列提供氨基酸序列提供 重要的生物化学信息重要的生物化学信息 一些广泛存在于生一些广泛存在于生 物界的蛋白质如细胞色物界的蛋白质如细胞色 素素(cytochrome C)，比，比 较它们的一级结构，可较它们的一级结构，可 以帮助了解物种进化间以帮助了解物种进化间 的关系。的关系。 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节

46、 （四）（四）重要蛋白质氨基酸序列的改变可引起疾病重要蛋白质氨基酸序列的改变可引起疾病 例：镰刀形红细胞贫血例：镰刀形红细胞贫血 N-val his leu thr pro glu glu C(146) HbS 肽链肽链 HbA 肽肽 链链 N-val his leu thr pro val glu C(146) 这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病， 称为称为“分子病分子病”。 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 1. 肌红蛋白肌红蛋白/血红蛋白血红蛋白 含有血红素辅基含有血红素辅基 二、蛋白质空间结构表现功能二、蛋白质空间结构表现功能 血红

47、素结构血红素结构 ( (一一) )血红蛋白构象改变引起功能变化血红蛋白构象改变引起功能变化 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 肌红蛋白肌红蛋白(myoglobin，Mb) 肌红蛋白是一个只有肌红蛋白是一个只有 三级结构的单链蛋白质，三级结构的单链蛋白质， 有有8 8段段 - -螺旋结构。螺旋结构。 血红素分子中的两个血红素分子中的两个 丙酸侧链以离子键形式与丙酸侧链以离子键形式与 肽链中的两个碱性氨基酸肽链中的两个碱性氨基酸 侧链上的正电荷相连，加侧链上的正电荷相连，加 之肽链中的之肽链中的F F8 8组氨酸残基组氨酸残基 还与还与FeFe2+ 2+形成配位结合， 形成配位结合，

48、 所以血红素辅基与蛋白质所以血红素辅基与蛋白质 部分稳定结合。部分稳定结合。 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 血红蛋白血红蛋白( (hemoglobin，Hb) ) 血红蛋白具有血红蛋白具有4个亚个亚 基组成的四级结构基组成的四级结构。 Hb各亚基的三级结各亚基的三级结 构与构与Mb极为相似。极为相似。Hb 亚基之间通过亚基之间通过8对盐键，对盐键， 使使4个亚基紧密结合而形个亚基紧密结合而形 成亲水的球状蛋白。成亲水的球状蛋白。 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 Hb与与Mb一样能可逆地与一样能可逆地与O2结合，结合， Hb与与 O2结合后称为结合后称为氧合氧合

49、Hb。氧合。氧合Hb占总占总Hb的百分的百分 数（称数（称百分饱和度百分饱和度）随）随O2浓度变化而改变。浓度变化而改变。 2. 血红蛋白的构象变化影响结合氧的能力血红蛋白的构象变化影响结合氧的能力 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 肌红蛋白肌红蛋白(Mb)和血红蛋白和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线的氧解离曲线 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 协同效应协同效应(cooperativity) 一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合 后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能 力的现象，称为

50、力的现象，称为协同效应协同效应。 如果是促进作用则称为如果是促进作用则称为正协同效应正协同效应 (positive cooperativity) 如果是抑制作用则称为如果是抑制作用则称为负协同效应负协同效应 (negative cooperativity) 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 O2 血红素与氧结血红素与氧结 合后，铁原子半径合后，铁原子半径 变小，就能进入卟变小，就能进入卟 啉环的小孔中，继啉环的小孔中，继 而引起肽链位置的而引起肽链位置的 变动。变动。 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 别构效应别构效应

51、(allosteric effect) 蛋白质空间结构的改变伴随其功能的蛋白质空间结构的改变伴随其功能的 变化，称为变化，称为别构效应别构效应。 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 （二）蛋白质构象改变可导致（二）蛋白质构象改变可导致构象病构象病 蛋白质构象疾病蛋白质构象疾病（Protein Conformational Diseases） ：若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级 结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其 功能，严重时可导致疾病发生。功能，严重时可导致疾病发生。 目目 录录第二节第三节第

52、四节第五节第一节第六节 蛋白质构象改变导致疾病的机制蛋白质构象改变导致疾病的机制：有些蛋：有些蛋 白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解 酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病，表现酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病，表现 为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变。为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变。 这类疾病包括这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老：人纹状体脊髓变性病、老 年痴呆症、亨丁顿舞蹈病、疯牛病等。年痴呆症、亨丁顿舞蹈病、疯牛病等。 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 疯牛病是由朊病毒蛋白疯牛病是由朊病毒蛋白(prion protein, Pr

53、P) 引起的一组人和动物神经退行性病变。引起的一组人和动物神经退行性病变。 正常的正常的PrP富含富含-螺旋，称为螺旋，称为PrPc。 PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全在某种未知蛋白质的作用下可转变成全 为为-折叠的折叠的PrPsc，从而致病。，从而致病。 PrPc -螺旋螺旋 PrPsc -折叠折叠 正常正常 疯牛病疯牛病 疯牛病疯牛病 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 三、蛋白质的化学修饰、相互作用可改变其功能三、蛋白质的化学修饰、相互作用可改变其功能 最初基因表达的产物最初基因表达的产物蛋白质，并不一定为蛋白质，并不一定为 具有生物学功能的成熟蛋白质，新生蛋白质通

54、常还具有生物学功能的成熟蛋白质，新生蛋白质通常还 需要进行蛋白质翻译后的化学修饰（第十八章）。需要进行蛋白质翻译后的化学修饰（第十八章）。 四、生物信息学探讨蛋白质的结构与功能关系四、生物信息学探讨蛋白质的结构与功能关系 生物信息学（生物信息学（bioinformatics）是一门基于信息学）是一门基于信息学 和计算的新兴交叉学科，应用计算机程序法将复杂的和计算的新兴交叉学科，应用计算机程序法将复杂的 生物学数据进行整合与分析，从而阐明生命现象中难生物学数据进行整合与分析，从而阐明生命现象中难 以解释的复杂分子机制。以解释的复杂分子机制。 目目 录录 第二节第三节第四节第五节第一节第六节 第四

55、节第四节 蛋白质的理化性质蛋白质的理化性质 Chemical and Physical Properties of Proteins 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 一、一、蛋白质具有两性电离性质蛋白质具有两性电离性质 蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外， 氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液pHpH条条 件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。 当蛋白质溶液处于某一当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成时，蛋白质解离成 正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净

56、电正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电 荷为零，此时溶液的荷为零，此时溶液的pH称为称为蛋白质的等电点。蛋白质的等电点。 蛋白质的等电点蛋白质的等电点( isoelectric point, pI) 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 二、蛋白质具有胶体性质二、蛋白质具有胶体性质 蛋白质属于生物大分子之一，分子量蛋白质属于生物大分子之一，分子量 可自可自1万至万至100万之间，其分子的直径可达万之间，其分子的直径可达 1100nm，为胶粒范围之内。，为胶粒范围之内。 蛋白质胶体稳定的因素：蛋白质胶体稳定的因素： 颗粒表面电荷颗粒表面电荷 水化膜水化膜 目目 录录第二节第三节第

57、四节第五节第一节第六节 + + + + + + + 带正电荷的蛋白质带正电荷的蛋白质 带负电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质在等电点的蛋白质在等电点的蛋白质 水化膜水化膜 + + + + + + + 带正电荷的蛋白质带正电荷的蛋白质 带负电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质不稳定的蛋白质颗粒不稳定的蛋白质颗粒 酸酸碱碱 酸酸碱碱 酸酸碱碱 脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用 溶液中蛋白质的聚集和沉淀溶液中蛋白质的聚集和沉淀 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 三、很多因素可引起蛋白质变性三、很多因素可引起蛋白质变性 在某些物理和化学因素作用下，其特定在某些物理和化学因素作用下，其特

58、定 的空间构象被破坏，也即有序的空间结构变的空间构象被破坏，也即有序的空间结构变 成无序的空间结构，从而导致其理化性质改成无序的空间结构，从而导致其理化性质改 变和生物活性的丧失。变和生物活性的丧失。 蛋白质的变性蛋白质的变性(denaturation) 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 造成变性的因素造成变性的因素 变性的本质变性的本质 破坏非共价键和二硫键，不改变蛋破坏非共价键和二硫键，不改变蛋 白质的一级结构。白质的一级结构。 如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强 碱、重金属离子及生物碱试剂等碱、重金属离子及生物碱试剂等 。 目目 录录第二节第三

59、节第四节第五节第一节第六节 应用举例应用举例 临床医学上，变性因素常被应用来消毒及临床医学上，变性因素常被应用来消毒及 灭菌。灭菌。 此外此外, , 防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质 制剂（如疫苗等）的必要条件。制剂（如疫苗等）的必要条件。 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素 后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构 象和功能，称为象和功能，称为复性复性 。 蛋白质的复性蛋白质的复性(renaturation) 目目 录录第二节第三节第四节第五节

60、第一节第六节 天然状态，天然状态， 有催化活性有催化活性 尿素、尿素、 -巯基乙醇巯基乙醇 去除尿素、去除尿素、 -巯基乙醇巯基乙醇 非折叠状态，无活性非折叠状态，无活性 目目 录录第二节第三节第四节第五节第一节第六节 在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽 链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。 变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉 淀，但并不变性。淀，但并不变性。 蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固 的凝块，此凝块不易再溶于强